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【科技前沿】《Nat. Commun.》:大连理工武湛君教授团队在超级快充铝离子电池及阳极中双电层作用上取得新进展
来源: 时间: 2021-02-07 浏览: 42612

随着科技的不断发展,单一的结构材料或功能材料已无法满足其在民用、航空航天、军事领域等的应用需求。一种材料承担多种功能,对于实现航空航天器等的小型化、轻量化、高性能等意义重大。发展结构-储能一体化复合材料成为备受关注的研究热点和国际前沿。在依靠可逆氧化还原反应的储能体系中,铝离子电池具有成本低、不易燃烧和理论容量大等显著优点,且稳定的铝电极-电解质界面避免了锂金属或锂离子系统中常见的界面复杂性,从而可实现达数万次的可逆充放电循环。铝离子电池的优越性为开发稳定的新型结构-储能一体化复合材料提供可靠途径。

铝离子电池以稳定的性能和可快速充电能力闻名,使充电时间从数小时减少到数分钟成为现实。能否进一步将充电时间从几分钟缩短到几秒,同时保持大部分电池容量?目前,研究者们致力于获得更高的比容量,合成新的碳电极来促进吸附,或寻找经济性更好的有机电解质,而电解液和电极界面间电荷转移的内在关系却很少被关注。如果消除电荷转移的局限性,这将打破超级电容器和电池之间的界限,使设备兼具高容量和高速率等优点,这也将进一步促进对电极界面双电层结构理解的深入。

大连理工大学航空航天学院武湛君教授团队与美国内布拉斯加州立大学林肯分校谭力副教授团队合作,发现铝电极和有机电解质界面间的电荷转移可以被有效加速,铝单质沉积的位置不再局限于金属表面缺陷。该团队证明了通过超临界干燥处理过的三维碳可使充电铝离子电池比容量最高达200 mAh/g,接近石墨烯在铝离子电池中理论容量(图1);且当进一步利用液态金属合金降低阳极能垒后,快速充电速率可达10000 C (0.3秒达到满容量),为目前报道过最快充电速率(图2)。更重要的是,电荷转移速度的提升使更多双电层中间产物得以发现,为更好的理解双电层在可充电电池中的作用提供途径。该研究更是为结构-储能一体化复合材料的进一步探索奠定了坚实的理论与实验基础。

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图1. 超临界干燥后三维石墨烯电极电池性能

液态金属是由镓、铟和锡组成的合金,熔点为12.7 oC。其中,镓与铝可互溶,根据比例的不同,组成的混合物中铝和镓的形态不同。当液态金属和铝相互作用时,部分铝会融入液态金属中,以纳米铝颗粒或原子铝的形式存在(见图2示意图)。相对于固态铝,纳米级的铝颗粒和铝原子具有更高的反应活性。当其作为电池阳极材料使用时,铝的生长将不再局限于缺陷,它将在各地无定形边界上生长,使其可更快速的参与到电池充放电过程所发生的化学反应中,使电池具有更高的倍率性能,降低界面电阻,减少能量消耗。

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图2.液态金属合金处理的活性电极与纯铝电极性能对比

充电速率的大幅提升为双电层中新物质的发现提供途径。该团队通过原位拉曼技术跟踪充放电过程中铝阳极表面元素变化,发现在大电流高速充电情况下有新的三配体物质参与反应(见图3)。该结果打破了对铝离子电池反应原理的常规认识,使双电层在电化学反应中的作用得到更深入理解,为将来设计更高速充电设备提供理论思路。

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图3. 原位拉曼跟踪活性铝阳极

这一成果近期发表在Nature Communication 上(Nat. Commun., 2021,12,820),文章的第一作者为大连理工大学申薛靖博士和孙涛副研究员,通讯作者为大连理工大学武湛君教授和美国内布拉斯加州立大学林肯分校谭力副教授。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21108-4

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